科學家打造基于量子芯片的神經(jīng)儲存器有望用于自然語言處理任務(wù)

近日，沙特阿拉伯阿卜杜拉國王科技大學何釗博士和所在團隊，打造了一種基于量子芯片的神經(jīng)儲存器，支持每平方厘米萬億個節(jié)點。

相比此前的同類系統(tǒng)，本次系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模高出2～7個數(shù)量級。對于每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點來說，它都是由薄膜上的量子核化誘導的納米電路組成。

而這種薄膜則由相變材料構(gòu)成，這讓單個讀出通道只需消耗0.07納瓦特的電功率。

相比此前的人造儲存器，這一新成果在電功率上降低了6個數(shù)量級，并且比人腦生物神經(jīng)元的效率高出1個數(shù)量級。

由于該芯片含有大量的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，并擁有出色的功率效率，課題組結(jié)合其量子特性，開辟了一種新形式的硬件安全原語。

安全原語，是一個物理系統(tǒng)或設(shè)備，它能夠基于單向物理現(xiàn)象生成獨特且不可復制的數(shù)字指紋。

安全原語的強大功能，吸引了學界研究身份驗證系統(tǒng)的興趣。當前的身份驗證方法比如密碼和生物識別已被證明可被黑客攻擊，不再足以保護用戶。

而本次研究證明：通過神經(jīng)芯片可以打造一種新技術(shù)，由于受到量子力學法則的保護，因此不會被硬件克隆所影響。

對于當前和未公開的任何類型的人工智能攻擊，上述新技術(shù)都具有免疫性。

實驗結(jié)果顯示：其具有99.6%的可靠性、100%的用戶認證準確度以及較為理想的50%的密鑰唯一性。

其所擁有的量子特性，也比目前最好的技術(shù)高3倍以上，同時能在僅有1平方厘米的面積內(nèi)存儲2.1104萬多個密鑰。

在應(yīng)用前景上：

其一，可以實現(xiàn)安全應(yīng)用。

本次研究的芯片能幫助確保智能能源網(wǎng)絡(luò)等關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施拒絕未經(jīng)授權(quán)的訪問，助力實現(xiàn)技術(shù)深度滲透的智慧城市。

未來，假如在成熟度更高的技術(shù)階段，基于該芯片的原型能夠完成驗證，那么預(yù)計這項技術(shù)可以顯著遏制攻擊私人公司和政府機構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)犯罪行為。

其二，可用于自然語言處理任務(wù)。

比如，它能進行語言建模、情感分析、文本分類、機器翻譯和語音識別等。

基于儲存器的循環(huán)性質(zhì)，其非常適合用于處理文本等順序數(shù)據(jù)。與此同時，它還具備捕獲復雜模式的能力，這讓其能針對語言的細微差別進行建模。

基于芯片上神經(jīng)儲存器的大規(guī)模神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和高功率效率，其能在資源受限環(huán)境之中，開展實時的語言處理應(yīng)用。

模擬對手，驗證攻擊

研究中，課題組選擇使用鍺銻碲系相變材料。原因在于：對于鍺銻碲材料的相變來說，可以通過電場、熱、光等多種方式進行誘導和控制。

另外，鍺銻碲材料具備較快的相變速度和非揮發(fā)性相變過程特性，更加適合于本次課題的開展。

而在制造芯片的時候，為了消除不均勻基底的影響，他們使用單面拋光的硅片作為原始基底。

然后，在硅片上沉積一層薄薄的二氧化硅，來作為最終的支撐基底，借此消除硅作為半導體對于電信號測試的影響。

隨后，則需要對鍺銻碲薄膜進行沉積。對于這一步驟來說，并沒有可以參考的操作參數(shù)。

因此，他們需要事先總結(jié)參數(shù)，特別是總結(jié)厚度和時間這兩個參數(shù)，然后選擇適當?shù)某练e時間，以便獲得相應(yīng)的厚度。

而在電極制備這一步驟，則需要基于芯片的電流-電壓檢測，在任意不同的電極點之間進行電路連接。

這也意味著，電極本身必須是隔離的、并且不能連接。為此，課題組制備了一種光刻掩膜版，在光刻技術(shù)的幫助之下，將用于沉積電極的位置暴露出來。

金具有良好的導電性，因此該團隊將其選為電極材料。

在沉積金膜之前，他們先是沉積一層薄薄的鈦膜。鈦膜沉積的好處在于有助于減少金膜在使用中由于溫度變化、應(yīng)力和其他因素導致的剝離或脫落。

接著，他們沉積了80納米和120納米厚度的薄金膜。但是，即使使用鈦膜來作為中間層，金膜在光刻膠的顯影過程中仍會出現(xiàn)剝離，于是他們二次返工制備了更厚的金膜。

芯片上的引線鍵合工藝，則涉及到通過引線鍵合設(shè)備來使用微米級的金線，從而將芯片電極連接到電路板。

然而，焊接參數(shù)、溫度控制、壓力控制、焊接速度、氣氛控制和金膜厚度等因素，都會影響引線的鍵合過程。

為此，經(jīng)過長達幾個月的探索，他們終于確定了適宜的設(shè)備參數(shù)。

在性能表征這一階段，課題組使用高分辨透射電子顯微鏡來對鍺銻碲薄膜的微觀結(jié)構(gòu)進行表征。

在微觀水平上，鍺銻碲薄膜主要由非晶結(jié)構(gòu)和少量直徑在5～7納米的晶態(tài)區(qū)域組成。

研究中，布里淵區(qū)的晶格數(shù)據(jù)顯示，鍺銻碲材料具有多晶的性質(zhì)。

與此同時，他們又使用導電探針原子力顯微鏡設(shè)備，在納米尺度上測試了器件的電性能。

結(jié)果顯示，測試圖像中每個點的相干區(qū)域為8納米×8納米的單個像素。

通過分析電壓與電阻的變化，課題組發(fā)現(xiàn)當電壓增加時，電阻會減小1～4個數(shù)量級。

這不僅遵循冪律的行為規(guī)律，并且微觀演變會出現(xiàn)連續(xù)性的變化，材料也顯示出從非晶態(tài)到晶態(tài)的轉(zhuǎn)變。

在原位高分辨率透射電子顯微鏡的幫助之下，他們跟蹤了鍺銻碲薄膜在加熱過程中的情況。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，已有晶體的生長以及新的量子尺寸的晶體在熱刺激之下的生長過程，導致鍺銻碲薄膜內(nèi)部發(fā)生了變化。

為此，他們在探針臺的幫助之下，針對量子芯片進行電流-電壓的測試。

通過此他們觀察到，非晶態(tài)鍺銻碲薄膜的參數(shù)，開始出現(xiàn)可重現(xiàn)、可連續(xù)調(diào)制的特性。

而來自非晶薄膜的量子尺度核聚變，會產(chǎn)生納米電路。下一步是開發(fā)一個理論模型，以支持這樣一種假設(shè)：一個物理儲層能夠支持源自非晶薄膜量子尺度成核的納米電路通信。于是，他們決定利用這一特性來開發(fā)安全的基礎(chǔ)設(shè)備，并投入資源進行該應(yīng)用的研究。

基于此，該團隊成功開發(fā)出一款認證系統(tǒng)，包含安全密鑰生成和安全密鑰認證這兩個部分。其中，密鑰生成遵循“挑戰(zhàn)—響應(yīng)”的模型。

在芯片輸入上，他們給定的是二進制的挑戰(zhàn)字符串。在芯片輸出上，他們則通過使用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，來將響應(yīng)信號轉(zhuǎn)換為二進制密鑰字符串。

隨后，課題組設(shè)計了一個驗證網(wǎng)絡(luò)。在設(shè)計驗證網(wǎng)絡(luò)的時候，不但要做到讓認證服務(wù)器僅僅保留挑戰(zhàn)字符串，并且要確保沒有任何部分能夠存儲一次性密鑰。

基于這一驗證網(wǎng)絡(luò)，他們開展了密鑰認證，并通過針對系統(tǒng)進行建模，模擬了一個“對手”。

這個“對手”不僅非常了解系統(tǒng)的特性，而且能夠復制除了神經(jīng)儲存器以外的所有經(jīng)典組件。

基于這一“對手”，他們評估了系統(tǒng)對于統(tǒng)計推理的抵抗能力。結(jié)果表明，攻擊者根本無法預(yù)測相關(guān)的認證實例。

導師：“你們可能發(fā)現(xiàn)了更重要的東西”

另據(jù)悉，在制備上述量子芯片時，課題組表示存在一些運氣成分。

這項研究原本是要圍繞顯示應(yīng)用開發(fā)一種新型光學相變材料。然而，在沉積過程之中，他們通過透射電子顯微鏡發(fā)現(xiàn)，利用最初在沉積儀器中所使用的條件，并沒有得到均勻的薄膜，而是得到了一個非晶系統(tǒng)，該非晶系統(tǒng)由隨機聚集的晶粒組成。

因此，當他們獲得第一批樣品時，所有人都感到非常沮喪，因為沒有一個樣品達到預(yù)期效果。

經(jīng)過幾次嘗試之后，他們幾乎打算放棄本次項目。然而，當向?qū)熣故具@些初始結(jié)果時，導師告訴他們：“你們可能發(fā)現(xiàn)了一些更重要的東西?！?/p>

于是，該團隊開展了一次電子測量，盡管出現(xiàn)了異常復雜的物理現(xiàn)象，但是初步結(jié)果看起來不錯。

又經(jīng)過大約一年之久，借助高分辨透射電子顯微鏡、原子力顯微鏡、拉曼光譜學等手段，他們在原子尺度開展了多次調(diào)查，終于理解了本次系統(tǒng)的工作機制，并打造出了上述安全認證系統(tǒng)。

后續(xù)，課題組計劃開發(fā)一個神經(jīng)芯片的集成解決方案。在目前的方案之中，是由探針臺來控制芯片的操作，這限制了在毫秒級范圍內(nèi)調(diào)制系統(tǒng)響應(yīng)速度的能力。

預(yù)計在改進之后，將能夠進行信息的實時處理，從而提高設(shè)備的運行速度和功率效率。（綜合整理報道）（策劃/小文）